Instalações e Acionamentos Elétricos

Instalações e Acionamentos Elétricos

(Parte 1 de 9)

Luiz Antonio Righi w.ufsm.br/righi

Universidade Federal de Santa Maria 2005

1. Apresentacao2
1.1 Objetivos e metodologia2
1.2 Tipos de energia3
1.2.1 Energia e potencia termica3
1.2.2 Energia mecanica4
1.2.3 Energia eletrica - historia da eletricidade6
1.3 Visao geral sobre eletricidade e eletronica7
1.4 Riscos e seguranca em eletricidade10
1.4.1 Requisitos de seguranca com eletricidade10
1.4.2 Protecao contra choques eletricos12
1.5 Recomendacoes para as aulas13
1.6 Primeiro trabalho pratico: aparelho para teste de continuidade17
2. Visita tecnica a instalacoes industriais19
2.1 Um desafio para a comunidade escolar19
2.2 Historico e exemplos20
2.2.1 O Grupo Kuttner20
2.2.2 Grupo Kepler Weber20
2.2.3 PROJETEC Instalacoes Industriais21
2.2.4 Grupo BIS - Brazil Industrial Solutions2
2.2.5 Monthenge Engenharia2
2.2.6 Grupo Widitec23
2.3 Como fazer um relatorio?24
3. O circuito eletrico25
3.1 O que e um circuito eletrico ou eletronico?25
3.1.1 Fontes26
3.1.2 Interruptores26
3.1.3 Cargas e Componentes de circuitos eletricos27
3.2.1 O local de trabalho28
3.2.2 Identificar e separar os componentes28
3.2.3 Preparacao dos componentes28
3.2.4 Circuito de uma lanterna28
3.2.5 Realizacao de emendas e conexoes30
3.2.6 Uso do alicate, da chave de fenda e da fita isolante31
3.2.7 Nocoes sobre soldagem31
3.2.8 A lampada serie3
3.2.9 Ligacao de tomadas e lampadas3
4. Corrente eletrica I35
4.1 Historico e conceitos35
4.1.1 Eletrons livres e carga eletrica35
4.1.2 Estrutura atomica36
4.1.3 Eletrolise da agua38
4.1.4 Os geradores nao criam eletrons39
4.2 Convencao de corrente eletrica39
4.3 Lei de Kirchoff das correntes39
4.4 Unidade de medida de corrente eletrica40
4.5 Ligacao de amperımetro40
4.6 Aplicacoes40
5. Tensao eletrica V41
5.1 Conceituacao41
5.1.1 Geradores Eletroquımicos41
5.1.2 O conceito de potencial42
5.1.3 Diferenca de potencial42
5.2 Lei de Kirchoff da tensao43
5.3 Medicao de tensao43
6. Potencia P e energia eletrica W45
6.1 Unidade de potencia - Watt45
6.2 Convencao do sentido do fluxo de potencia45
6.3 Potencia dos principais aparelhos eletrodomesticos e industriais46
6.4 Lei de Joule46
6.5 Energia eletrica W47
6.6 Nocoes sobre tarifacao47
6.6.1 Grupos e tipos de consumidores47
6.6.3 Sistema tarifario49
6.7 Aplicacoes51
7. Resistencia eletrica R52
7.1 Lei de Ohm52
7.2 Medicao de resistencia52
7.3 Aplicacoes54
8. Leitura de plantas e esquemas eletricos5
8.1 Sımbolos convencionais para o estabelecimento de esquemas5
8.2 Usando um multımetro5
8.3 Teste de diodos, transistores, bobinas,56
8.3.1 Diodo57
8.3.2 LED (Light Emitting Diode) e Display57
8.3.3 Transistor58
8.3.4 Soquetes, conectores e jumpers60
8.3.5 Cristal e oscilador gerador de clock61
9. Aprofundamento, avaliacao e recuperacao do primeiro bimestre63
9.1 Resumo de grandezas eletricas63
9.2 Exercıcios63
9.3 Glossario de alguns termos tecnicos64
9.4 Aplicacoes - trabalhos propostos6
9.4.1 Medicao do rendimento de um boiler6
9.4.2 Medicao do rendimento de uma bateria6
9.4.3 Ligacao de um painel fotovoltaico6
9.5 Montagem de circuitos eletricos6
10. Associacao de resistores68
10.1 Associacao de resistores em serie68
10.2 Associacao de resistores em paralelo68
10.3 Divisor de tensao68
10.4 Divisor de corrente70
10.5 Calculo de circuitos em corrente contınua70
1. Estudo experimental da resistencia71
1.1 Resistividade ρ71
1.2 Tipos de resistores72
1.2.2 Resistores de carvao - codigo de cores73
1.2.3 Resistores sensores de temperatura - NTC73
1.2.4 Termistores - PTC74
1.2.5 Termoresistencias - PT10074
1.2.6 Resistores sensores de luz - LDR75
1.2.7 Resistores sensores de deslocamento (Strain Gauge)75
1.2.8 Resistores variaveis - Variacs, trimpots e potenciometros75
12. Corrente alternada e alternador76
12.1 Historico da corrente alternada76
12.2 Alternadores80
12.2.1 Princıpio de funcionamento dos alternadores80
12.2.2 Forca eletro motriz induzida E80
12.3 Parametros caracterısticos dos sistemas de corrente alternada81
12.3.1 Perıodo, frequencia, e velocidade angular82
12.3.2 Amplitude e angulo de fase82
12.3.3 Potencia instantanea83
12.3.4 Frequencia f84
12.3.5 Tensao de pico ou maxima Vmax84
12.3.6 Corrente maxima Imax84
12.3.7 Valor eficaz de tensao e corrente V e I84
12.3.8 Defasagem θ85
13. Transformador monofasico86
13.1 Bobinas86
13.2 Tensao de uma bobina86
13.3 Fundamentos dos transformadores86
13.3.1 Transformador ideal8
13.3.2 Perdas no transformador8
13.3.3 Autotransformador89
13.4 Transformadores para medicao eletrica89
13.4.1 Transformador de potencial - TP89
13.4.2 Transformador de corrente - TC89
13.4.3 O alicate amperometrico89
13.5 Experiencias89
13.5.1 Ligacao basica para um transformador monofasico89
13.5.2 Identificacao de bobinas - polaridade89
14. Circuitos de corrente alternada91
14.1 Reatancia XL e indutancia L de uma bobina91
14.1.1 Auto-inducao de uma bobina91
14.1.2 Permeabilidade magnetica e indutancia93
14.1.3 Arco voltaico - solda eletrica93
14.2 Capacitores93
14.2.1 Carga e campo eletrico no interior de um capacitor95
14.2.2 Associacao de capacitores95
14.2.3 Reatancia capacitiva XC95
14.3 Circuito RLC serie em corrente alternada95
14.3.1 Equacao da fonte de tensao96
14.3.2 Equacao da impedancia96
14.3.3 Equacao da corrente96
14.4 Circuito RLC paralelo em corrente alternada96
15. Medidores de potencia e energia em corrente alternada97
15.1 Medicao de potencia em corrente alternada97
15.2 Potencias aparente, ativa e reativa97
15.2.1 Potencia aparente S97
15.2.2 Potencia ativa P97
15.2.3 Potencia reativa Q97
15.3 Fator de potencia98
15.3.1 Importancia do fator de potencia98
15.3.2 Rede monofasica98
16. Rendimento e correcao do fator de potencia100
16.1 Ligacao de motor monofasico com capacitores100
16.2 Rendimento de um motor100
16.3 Correcao do fator de potencia100
16.3.1 Energia armazenada em capacitores100
17. Circuitos trifasicos102
17.1 A distribuicao de energia eletrica102
17.1.1 Redes monofasicas102
17.1.2 Redes trifasicas103
17.2 Ligacoes basicas103
17.2.1 Ligacao estrela104
17.2.2 Ligacao triangulo104
18. Aprofundamento, avaliacao e recuperacao do semestre105
18.1 Diodos retificadores105
18.1.1 Especificacoes para diodos: tensao e corrente105
18.1.2 Retificador de meia-onda105
18.1.3 Retificador de onda completa105
18.1.4 Uso do capacitor como filtro105
18.1.5 Carregador de baterias105
18.2 Reguladores de tensao105
18.2.1 Fonte de alimentacao C ajustavel106
18.2.2 Fonte de tensao chaveada108

SUMARIO vii

19. Forca magnetica110
19.1 Interacao corrente x campo magnetico110
19.2 Eletroımas1
19.3 Curva forca x corrente de um eletroıma1
20. Maquinas de corrente contınua112
20.1 Princıpio de funcionamento dos motores de corrente contınua112
20.2 Ligacoes de uma maquina de corrente contınua112
20.2.1 Maquina de ımas permanentes112
20.2.2 Motor de excitacao independente112
20.2.3 Motor serie112
20.2.4 Motor composto serie-paralelo112
20.3 Controle de velocidade de um motor de corrente contınua112
21. Motores eletricos de inducao113
21.1 Motor de inducao113
21.1.1 Princıpio de funcionamento - campo girante114
21.1.2 Dados de placa115
21.1.3 Curvas conjugado-velocidade da carga e do motor118
21.2 Partida de motores122
21.2.1 Inercia da carga123
21.2.2 Conjugado medio de aceleracao123
21.2.3 Tempo de aceleracao123
21.3 Instalacao de motores eletricos124
21.3.2 Tipos de bases125
21.3.3 Alinhamento125
21.3.4 Acoplamento126
21.4 Sobrecarga e vida util de motores eletricos126
21.4.1 Termostatos127
21.4.2 Protetores termicos127
2. Instalacoes de forca motriz128
2.1 Motores eletricos128
2.2 Aparelhos de solda eletrica128
2.3 Ar condicionado128
2.4 Bombeamento de agua129
2.5 Geradores de energia eletrica129
23. Luminotecnica131
23.1 Conceitos de luminotecnica131
23.2 Nıveis de iluminamento132
23.3 Escolha de lampadas e seus respectivos lumens132
23.4 Tipos de lampadas133
23.5 Iluminacao Interna133
23.5.1 Residencial133
23.5.2 Calculo luminotecnico133
23.5.3 Ligacao de lampadas fluorescentes134
23.5.4 Ligacao de dimmers e controles134
23.5.5 Uma fotocelula simples134
23.6 Resumo136
24. Circuitos de iluminacao e tomadas de uso geral138
24.1 Materiais mais utilizados em instalacoes eletricas138
24.2 Condutores fase, retorno, neutro e protecao138
24.3 Simbologia utilizada para os componentes de instalacoes eletricas138
24.4 Distribuicao de tomadas138
24.5 Quadro de distribuicao - CD138
24.5.1 Divisao dos circuitos138
24.5.2 Disjuntor Diferencial Residual139
24.6 Circuitos eletricos mais utilizados139
24.6.1 Lampada comandada por interruptor simples e tomada139
24.6.2 Lampadas comandadas por interruptor duplo139
24.6.4 Campainha139
25. Dimensionamento de circuitos eletricos140
25.1 Diagramas multifilares, unifilares e funcionais140
25.2 Conceito de demanda140
25.3 Estimativa da demanda140
25.4 Dimensionamento dos condutores140
26. Entrada, aterramento e medicao de energia146
26.1 Tipos de consumidores146
26.2 Condicoes gerais das entradas de energia146
26.3 Quadros de medidores147
26.4 Aterramento147
26.5 Para-raios147
27. Aprofundamento, avaliacao e recuperacao do bimestre148
28. Atuadores e sensores em processos industriais149
28.1 Atuadores149
28.1.1 Solenoides149
28.1.2 Lampadas149
28.1.3 Resistencias150
28.1.4 Motores eletricos150
28.2 Sensores150
28.2.1 Sensores de proximidade151
28.2.2 Sensores de posicao/velocidade151
28.2.3 Sensores de forca/pressao151
28.3 Aplicacao151
29. Dispositivos para acionamento eletrico153
29.1 Terminologia sobre acionamentos eletricos153
29.2 O contator155
29.2.1 Contato principal156
29.2.2 Contatos auxiliares156
29.2.3 Sistema de Acionamento156
29.2.4 Nomenclatura de contatos e bobina157
29.3 Fusıveis157
29.3.1 Classificacao158
29.3.3 Fusıveis de forca tipo NH158
29.4 Disjuntores159
29.5 Protetores termicos (sondas termicas) para motores eletricos160
29.5.1 Termostatos160
29.5.2 Protetores bimetalicos de disco160
29.6 Reles de Sobrecarga160
29.6.1 Circuito principal ou de potencia161
29.6.2 Circuito auxiliar ou de comando161
29.6.3 Terminais do rele de sobrecarga161
29.7 Reles de tempo (temporizador)162
29.7.1 Reles de tempo com retardo na energizacao162
29.7.2 Reles de tempo com retardo na desenergizacao162
29.7.3 Rele de tempo estrela-triangulo163
29.8 Rele de sequencia de fase163
29.9 Rele de protecao PTC164
29.10Rele de falta de fase164
29.11Rele de mınima e maxima tensao164
30. Chave de partida direta165
30.1 Chaves de partida165
30.2 Chave de partida direta165
30.2.1 Circuito principal167
30.2.2 Circuito de comando167
30.3 Exercıcios167
31. Partida atraves de chave estrela-triangulo (Y -∆)170
31.1 Fundamentos170
31.2 Requisitos para uso da chave estrela-triangulo171
32. Partida atraves de chave compensadora172
32.1 Comparacao entre chaves estrela - triangulo e compensadoras “automaticas”173
32.2 Montagem de uma chave compensadora automatica174
3. Quadros de comando175
3.1 Partida atraves de chave serie-paralela175
3.2 Chave de partida de um motor trifasico, com reversao manual rapida176
3.3 Chave de partida de um motor trifasico, com reversao manual lenta176
3.4 Partida com comando de parada por chave fim de curso e reversao manual rapida176

SUMARIO x 3.5 Partida de um motor trifasico, com comando de reversao instantanea por chave fim de curso 176

3.6 Partida de varios motores trifasicos, com comando sequencial manual lento176
3.7 Chave de partida de varios motores trifasicos, com comando sequencial automatico176
3.8 Comando de sentido de giro de um motor C usando apenas uma botoeira176
34. Manutencao de quadros de comando178
34.1 Chaves de partida178
34.1.1 Condicoes de servico das chaves178
34.1.2 Instalacao das chaves de partida179
34.1.3 Manutencao preventiva e corretiva em chaves de partida180
34.2 Motores eletricos185
35. Controle da velocidade de motores de inducao186
35.1 A velocidade e o numero de polos186
35.2 Motores com duas velocidades - ligacao Dahlander186
35.2.1 Motores com mais de duas velocidades186
35.3 Controle da velocidade de pequenos motores187
35.3.1 Variacao do escorregamento187
35.3.2 Variacao da resistencia rotorica187
35.3.3 Variacao da tensao do estator187
35.4 Motores de inducao com inversores de frequencia187
35.4.1 Caracterısticas dos inversores188
35.4.2 Variacao da velocidade com inversores190
35.4.3 Condicoes especiais de servico191
35.4.4 Caracterısticas de desempenho dos motores192
35.4.5 Caracterısticas do sistema de isolamento193
35.5 Escolha do motor e do sistema de acionamento194
36. Recuperacao e avaliacoes195
36.1 Exercıcios195

Parte I ELETROTECNICA

1. APRESENTAC AO

“Em primeiro lugar temos de conhecer-nos e acostumar-nos a dialogar livremente conforme o grau de nossa cultura.” (J. Kentenich)

1.1 Objetivos e metodologia

Atualmente o mercado de trabalho esta cada vez mais competitivo, levando-nos a uma busca contınua de aperfeicoamento profissional, tanto na parte tecnica como na parte de relacionamento interpessoal. Uma das formas de se conseguir isto na vida academica e realizando visitas tecnicas e estagios em empresas relacionadas com o curso. Porem, talvez o maximo aprendizado incluira a apresentacao e discussao das experiencias em sala de aula.

Assim, pode-se detectar dificuldades em alguns conteudos, e em nossa formacao pessoal, para que aprendamos e crescamos originalmente. Somente superaremos nossas dificuldades se nos livrarmos dos conceitos culturais que nos sao impostos pela forca das propagandas, e se formos ousados e empreendedores, pensando tanto em nos como ‘para’ e ‘com’ aqueles que nos rodeiam.

Talvez alguns tecnicos nao se deem conta disso, mas nao e questao de achar culpados. E preciso reconhecer, com humildade e reflexao, que somos responsaveis, em maior ou menor escala, pela situacao de nosso mundo.

Esta parte do curso visa dar informacoes basicas necessarias a boa compreensao dos fenomenos eletricos, ao mesmo tempo em que se treina no uso das principais ferramentas para lidar com eletricidade e/ou eletronica. Assim, a parte pratica deste curso possui enfase em medidas eletricas, onde permite a fixacao e aplicacao dos conhecimentos teoricos.

A eletricidade e uma forma de energia, um fenomeno que e um resultado da existencia de cargas eletricas. A teoria de eletricidade e seu inseparavel efeito, magnetismo, e provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias cientıficas. O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invencao de motores, geradores, telefones, radio e televisao, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear. A eletricidade e uma necessidade para a civilizacao moderna.

O que e mais importante - a teoria ou a pratica? Talvez possamos citar varios exemplos a favor de uma ou de outra. Entretanto, e certo que, sem uma das duas, os conhecimentos nao podem ser transmitidos e nem aplicados a tecnologia. No mercado de trabalho a teoria e a pratica sempre se fazem presentes, a

1. Apresentacao 3 ponto de, se o concorrente a vaga de trabalho nao tiver QI (Quem Indica) ele devera passar por testes e estagios, para as empresas (a sociedade) selecionar a pessoa adequada a cada tarefa. Embora estejamos ou nao de acordo com a competicao na sociedade moderna, somos certamente unanimes para concluir que para uma sociedade desenvolvida cultural, tecnica, e economicamente, a pratica e fundamental.

Entre outros objetivos da pratica de eletricidade destaca-se: - Conhecer os principais equipamentos e componentes eletricos;

- Compreender um circuito eletrico, e suas variaveis; e,

Assim sendovamos adotar a sequencia tıpica de aula:

- Medir, montar, e ligar circuitos eletricos. - apresentacao: expositivo dialogada, transparencias, quadro negro ou data-show;

- resolucao de exercıcios;

- montagem de experiencias com anotacao de dados em aula;

- realizacao do relatorio;

- apresentacao e entrega de relatorio; e,

- correcao e comentarios pelo professor.

1.2 Tipos de energia

Embora a energia seja uma coisa so, ela pode se apresentar de formas diferentes. Vamos fazer uma sıntese ou resumo do que observamos, salientando as quantidades ou valores.

1.2.1 Energia e potencia termica A quantidade de energia termica acumulada num reservatorio de agua quente, por exemplo, e:

Quando a energia e estatica, isto e, nao muda com o tempo a quantidade de energia termica ou calor trocada com o meio ambiente e nula. Neste caso a potencia e zero.

Entretanto, quando a temperatura da agua do reservatorio mudar com o tempo, uma certa quantidade de calor estara sendo trocada com o meio ambiente. Ela sera simplesmente a divisao da equacao anterior pelo tempo.

t c ∆T

A relacao m/t e a vazao de agua do reservatorio. A potencia P sera a potencia eletrica do aquecedor (observando as unidades).

Exemplo Calcular a potencia de uma resistencia eletrica para aquecimento de 20 litros de agua, desde 20 ate 80oC, durante o intervalo de 5 minutos (300 segundos). Solucao:

1. Apresentacao 4

(a) Quantidade de calor, em calorias:

(b) Quantidade de calor ou energia, em joules: sabendo-se que 1 cal=4,186 Joules, calcula-se

P = trabalho ou energia

Podemos comparar este valor com a potencia de alguns aparelhos eletricos.

1.2.2 Energia mecanica

Vamos estudar a energia mecanica atraves de um exemplo tıpico: puxar agua de um poco com um balde que pesa 20N (aproximadamente 2kg), uma manivela e uma roldana.

O trabalho

Se o poco tem 24,5 metros de profundidade, a energia gasta, ou trabalho realizado para trazer o balde do fundo ate a boca do poco e sempre a mesma, valendo

Note que a unidade de medida de energia mecanica, J ou Nm, e a mesma que usaremos para o conjugado. Tratam-se, no entanto, de grandezas de naturezas diferentes, que nao devem ser confundidas.

Potencia mecanica

A potencia mede a “velocidade” com que a energia e aplicada ou consumida, e se calcula dividindo a energia ou trabalho total pelo tempo gasto em realiza-lo. Assim, se usarmos um motor eletrico capaz de erguer o balde de agua em 2,0 segundos, a potencia necessaria sera:

Se usarmos um motor mais potente, com capacidade de realizar o trabalho em 1,3 segundos, a potencia necessaria sera:

A unidade mais usual para medida de potencia mecanica e o cv (cavalo-vapor), equivalente a 736W. Entao as potencias dos dois motores acima serao:

1. Apresentacao 5

Conjugado

O conjugado, tambem chamado torque, momento ou binario, e a medida do esforco necessario para girar um eixo.

E sabido, pela experiencia pratica que, para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em pocos - a forca F que e preciso aplicar a manivela depende do comprimento l da manivela. Quanto maior for a manivela, menor sera a forca necessaria. Se dobrarmos o tamanho l da manivela, a forca F necessaria sera diminuıda a metade.

Se o balde pesa 20N e o diametro do tambor e 0,20m, a corda transmitira uma forca de 20N na superfıcie do tambor, isto e, a 0,10m do centro do eixo. Para contrabalancar esta forca, precisam de 10N na manivela.

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